摘要:RS-232收发器集成到RS-232设计中已经有20多年的历史了。本应用笔记回顾了RS-232收发器的开发过程，并详细说明了每个过程的技术优势以及给用户带来的好处。以Maxim设备为例，介绍了RS-232收发器的发展。
引言
在过去的25年，为了能够满足RS-232的发展对RS-232收发器进行了分析多次进行修改。这些技术创新教学设计主要包括：集成电荷泵、高ESD保护、自动调节关断(AutoShutdown™)、3.3V单电源系统供电、宽带、电平信号转换等，封装结构尺寸也在不断努力缩小。这些问题改进增强了电子器件使用功能，有助于我们简化RS-232接口可以设计，减少相关器件研究数量，节省电路板生产面积。作为RS-232收发器以及产品的领导者，Maxim Integrated Products推出了中国超过158种具有价值增值服务功能的RS-232器件，以满足社会广泛的应用市场需求。
本应用笔记进行回顾了RS-232收发器的关键技术功能，从其发展研究过程看，RS-232收发器的演变也反映了串口数据通信的发展社会需求。
背景
EIA/TIA-232-E标准于1962年发布，此后中国进行了4次修改，以满足企业不断发展变化的串口进行通信技术要求。EIA/TIA-232-E标准的官方名称是“数据信息终端网络设备(DTE)与数据显示电路端设备(CTE)之间通过串行交换使用二进制分析数据的接口”，可以实现简单地定义为：主机控制系统(DTE)与外设管理系统(CTE)之间的串行输入数据以及通信(图1)。
图1.DTE转DCE系统框图，电路使用MAX214收发器，显示了两台PC的DTE和DCE之间的连接。
应用历史
历史上，rs-232串行通信一直用于连接计算机到外围设备，如调制解调器、打印机、键盘、游戏控制器和鼠标。近年来，这些应用中的大部分已经转换为其他通信协议，如通用串行总线。
目前，RS-232串行通信主要用于GPS、POS、血糖仪、条形码扫描仪、汽车数据通信设备、机顶盒、游戏机等需要低成本、低速度(小于1Mbps)的通信系统。
RS-232 IC的演进过程
虽然RS-232收发器的设计经历了很大的演变，但工程师们在当前的应用中仍然使用RS-232协议。图2展示了RS-232的创新过程，我们将在后面的章节中逐一讨论。
图2。RS-232接收器的开发过程
集成电荷泵
最初的RS-232 IC需要采用双电源(+15V和-15V)供电，以支持RS-232发送器的正、负输出摆幅(请参考图3 ，通道1)。而大多数系统只提供一个电源，这就需要外部电荷泵对单电源进行倍压，然后再进行反相。二十世纪八十年代，Maxim率先将电荷泵集成到RS-232收发器内，创造出首款单电源供电的RS-232 IC MAX232。这是最早推出的能够对电源电压进行倍压、反相转换，支持RS-232发送器电路的RS-232收发器。
图3。Rs-232信号，通道1为发射机输出总线信号，通道2为接收机的逻辑输出信号。
在随后的产品（如 MAX3232）中，EIA-232 级别定义为 5k 负载± 5V 驱动器。凭借新的低压差速输出技术，Maxim 推出了 RS-232 接收器，配备内置充电泵，可提供稳定的 5.5V 输出±。此设计允许接收器以最小的供应电流提供 RS-232 兼容输出水平。
集成电荷泵如何提高工作呢? 第一个电荷泵的工作方式类似于倍压器，如果我们忽略一些少量产品损耗，该电荷泵能够把5V电源系统电压信号转换成+10V;第二个电荷泵配置成反相器，将+10V电压可以转成-10V，当然中国实际发展应用会存在以及少量网络损耗。所产生的±10V电源技术用于RS-232发送器供电。
较高的ESD保护
任何RS-232设备都将在所有引脚(典型值为±2kV)上提供静电放电(ESD)保护，以避免在设备操作和组装过程中因静电冲击造成的损坏。
具有 15kV ESD 保护的 R±S-232 设备通常具有与标准 RS-232 设备相同的引脚和功能，无需更换板布线即可更换。例如，MAX3232 具有与 MAX3232E 相同的引脚排列、封装类型和功能。
低压工作
历史上，rs-232兼容设备至少需要两个电源电压，一个大于 + 5v，一个小于(更负)-5v，以支持发射机的输出摆幅至少 ± 5v。如果系统能够提供 ± 12v 的功率，图4所示的波形可以满足这个输出电平。目前，大多数系统没有 ± 12v (或其他电压)的电源供应。为了使用单电源提供双向电压，马克西姆开发了许多内置功率变换器的收发器。
图4 rs-232输出水平摆动
以下内容讨论了各种双电源供电的特殊需求。
3.0V至5.5V单电源供电
虽然大多数 RS-232 系统都由 5V 单电源供电，但越来越多的应用程序要求设备在 3.3V 电源上工作。在 3.3V 单电源系统中，设备在 3.3V 下工作非常重要，它还要求 RS-232 设备与 3V 逻辑接口兼容。Maxim 采用了类似于 5V 单电源设备的技术，推出了从 3.0V 到 5.5V 单电源的接收器产品。
与单5V供电的RS-232收发器相同，采用3.0V至5.5V单电源供电的器件同样集成了两路电荷泵电源。这类RS-232器件由于采用了低压差发送器，在采用低至±5.5V的电荷泵电源供电时能够满足±5V最小摆幅的要求。因此，这些器件工作在3V单电源时仍然兼容于RS-232规范。虽然这类产品可以工作在最低3.0V，但也可以工作在最高5.5V电压，即同一器件可以支持3.3V和5V设计。图5所示为MAX3232E工作在3.3V至5V的RS-232器件。
图5。Max3232e RS-232收发器内置电荷泵，可在3.3V至5V的单电源中工作。
2.7V至3.6V单电源供电
为了使器件在低于3.0V供电时仍然存在兼容于RS-232规范，电荷泵倍压和反相将无法进行实现我们这一发展目标。图6所示MAX3212采用一种基于一个电感的转换器之间产生±6.5V，以满足数据发送器的需求。利用buck转换器系统拓扑，器件技术可以提高工作在2.7V至3.6V单电源。
图6. MAX3212集成buck转换器，允许通过器件可以采用2.7V至3.6V单电源系统供电。
1.8V至4.25V单电源供电
MAX3218(图7)采用混合架构解决电源问题，通过基于电感的转换器产生+6.5V电压，然后使用电荷泵产生-6.5V电压。
图7。Max3218使用基于电感的升压转换器和电荷泵来产生反向电压。该装置可由1.8V至4.25v的单电源供电。
自动关断(AutoShutdown)
许多RS-232设备只工作很短的时间，如血糖表，不使用RS-232端口的大部分时间。如果您没有使用 RS-232 端口，最好将 RS-232 设备置于低功耗关机状态以节省电力。
自动关断是系统的一个可以省电管理模式，如果监测到RS-232接口技术没有通过使用，则将RS-232器件置于低功耗关断状态。自动关断的重要研究意义主要在于它不可能需要提高处理器介入，无需软件分析处理问题即可达到省电的目的。
自动关断监控器检测RS-232的接收器，如果连接到其它RS-232器件，接收器侧可以检测到低于-3V或高于+3V的有效RS-232信号。如果没有任何连接，接收器电压通常为地电位，如果自动关断功能检测到所有接收器电压处于-0.3V至+0.3V之间，持续时间达到30µs以上，则判断为没有连接有效的发送器，器件将自动进入低功耗状态，请参考图8和图10。如果任意一路接收器输入超过+2.7V或低于-2.7V，收发器将自动脱离低功耗状态，请参考图9和图10。
图8。所有接收器输入在0.3 V范围内持续30 S以上，设备进入自动掉电模式。
图9。当任何接收器的输入超过2.7V时，它退出自动关机模式。
图10. 进出口自动关闭的阈值
低功耗发展模式下，发送器和发送器部分使用的电荷泵也会关闭。由于信息接收器进行工作时消耗也是非常低的电流，接收器将始终没有保持一个有效管理工作生活状态。由此，MAX3221的典型企业静态分析电流我们可以从0.3mA降至1µA (最大值从1mA降至10µA)。需要学生注意的是，一旦在接收器上检测到一种有效的RS-232电平时，器件设计需要100µs才能使数据发送器进入到了有效提高工作学习状态。MAX3221和MAX3243是具有系统自动调节关断控制功能的RS-232器件。
增强型自动关断(AutoShutdown Plus™)
与自动关机功能类似，增强型自动关机设计用于在不使用 rs-232设备节电时立即关闭整个设备。如果设备在30秒内没有收到有效信号，增强的自动关闭功能将关闭设备。此功能适用于连接到 rs-232端口的发射机，但不发送数据。
增强自动关闭需要注意两种情况。
该设备监测接收器和发射器是否同时有效工作。
当你连接一个无效的引脚来强制打开和强制关闭，这个设备的工作原理就像一个自动关机，如图11所示。
图11。当强制开启和强制关闭输入连接到无效输出时，增强型自动关闭设备将与自动关闭设备类似地工作。
MAX3224E和MAX3245E是具有一个增强型系统自动进行关断控制功能的RS-232器件。
MegaBaud™
对于需要宽带和低辐射的应用，MegaBaud RS-232设备是理想的解决方案。
在典型的RS-232应用中，转换速率有利于减少辐射和反射，但也限制了最大数据速率。将变送器的摆幅率限制在30V/µ；s以下。此限制将RS-232定义为一个简单的物理接口。如果没有这样的限制，就要注意辐射的影响、输电线路等问题。尽管转换速率简化了物理连接，但它也会影响可以达到的最大数据速率。
Maxim 公司推出的 megabaud 设备在支持高速数据传输的同时，确保了 rs-232标准的兼容性。为了保证简单的物理连接，这些设备仍然具有有限的摆动速率特性，但摆动速率高于 rs-232标准规定的限制(例如，max3237e 的摆动速率限制在150v/& amp; micro; s)。
这些设计是什么意思？严格地说，MegaBaud 设备不符合 RS-232 标准，如果将具有 MegaBaud 功能的设备插入普通 RS-232 标准接口，即使低至 20kbps 的数据速率也不能保证正常工作。实际上，以低数据速率工作的设备在以 1Mbps 的速度运行时根本不工作。为了支持 1Mbps 的数据速率，电缆两端的产品都需要 MegaBaud 设备。
有些MegaBaud器件进行带有自己一个企业标注为MBAUD的引脚，通过学生逻辑信号电平方式控制该引脚功能可以将器件结构配置为既可以提高工作在低于30V/µs的RS-232限摆率条件下，也可以管理工作在更高摆率的MegaBaud模式。如果连接到一些常规RS-232接口，器件我们可以根据工作在真正的RS-232标准发展模式。如果连接到公司另一个MegaBaud器件，则可得到支持1Mbps，甚至具有更高学习速率的数据信息传输。
VL引脚
在大多数现代应用中，微 c 的电源电压远低于收发信机的电源电压。因此，在 & micro; c 和 rs-232收发器之间需要一个逻辑电平转换器。一些 rs-232设备集成了电平转换器，如 max3386e，它提供了一个 vl 引脚来配置接收器输出和发射器输入的逻辑电平。该特性对于多源电源和/或多逻辑级系统非常有用。例如，图12中的 max3386e 工作在3.0 v 到5.5 v 的单一电源上，vl pin 将逻辑阈值设置为0.8 v 到5 v。
max3386e内置一个VL引脚，允许在混合电压系统中提供可编程逻辑阈值。
微型封装
因为大多数现代应用需要小尺寸的设计，所以有必要将集成电路放置在电路板的一个很小的区域内。目前，可用的最小封装是芯片级封装（CSP）。芯片级封装（WLCSP）设计为印刷电路板上的IC倒装芯片，芯片的焊盘通过独立的焊球焊接到PCB上，无需任何其他填料（图13）。WLCSP技术不同于其他球栅阵列、引线封装和层叠CSP技术，它不需要绑线或内部布线。WLCSP封装的优点是集成电路与PCB之间的寄生电感很小，并且有助于减小封装尺寸，缩短生产时间，改善热传导特性。UCSP&；是Maxim的WLCSP包装商标。
图13典型的14个焊球 lcsp 封装
结论
25年来，随着应用需求的变化，RS-232技术稳步发展。马克西姆的许多RS-232收发器在行业中占据重要优势。此外，没有理由表明此类产品的设计已经停滞不前。
RS-232串口通信仍将在低成本、设计一个简单的产品中继续发展发挥企业重要影响作用。在未来的应用中，低供电电压、高数据率将成为新设计的普遍使用要求。未来的器件结构设计问题将会集成电气隔离、过压保护等功能。我们可以坚信Maxim将继续保持这一研究领域技术创新教学设计的领导核心地位。
